新实验测得中子皮厚度仅为0.28飞米 为后续中子星研究奠定基础

上图左为混合了质子、中子核、及中子皮的 208 铅核，右为中子星结构示意（来自：APS）

通过测定一个原子核的质子与中子成分，有助于确定每个原子的身份与特征。为深入了解这些质子和中子在原子核内部的作用，物理学家们正在对不同的原子核展开研究。

以 Lead Radius 实验团队为例，他们正在研究质子与中子是如何在原子核中精细分布的。弗吉尼亚大学教授兼 Lead Radius 实验联合发言人 Kent Paschke 指出：

这项研究的重点，在于搞清楚中子在铅中的位置。铅具有很重的原子核（中子数相当多），但只有相等的质子和中子混合，核力才能表现得更好。

Paschke 解释称，只有几个质子的轻核，通常内部具有相等数量的质子和中子。但随着原子核变得原来越重，它们就需要更多的中子（而不是质子）来维持稳定。

杰斐逊实验室大厅一瞥

在具有 20 个以上质子的所有稳定核里，中子都比质子要更多。以铅（Pb）为例，该原子核就拥有 82 个质子和 126 个中子。

而想要测量这些额外的中子是如何分布于原子核内的，就是了解重原子组成的一个关键。

Paschke 补充道：“铅原子核中的质子位于在一个球体中，但我们发现中子在它其周围的一个更大的球体中，于是将之称作所谓的中子皮（neutron skin）”。

据悉，2012 年发表在《物理评论快报》上的 PREx 实验结果，研究团队首次利用电子散射技术对中子皮展开了实验观察，后续又着手在 PREx-II 期项目中对其厚度展开更精确的测量。

研究配图 - 1：不对称分布的螺旋度翻转序列

2019 年夏季，研究团队借助美国能源部科学办公室的连续电子束加速器设施开展了实验。与 I 期一样，II 期实验依然根据铅中子来测量铅核的平均大小。

中子之所以很难被测量，是因为物理学家用于测量亚原子粒子的许多灵敏探针，都依赖于通过电磁相互作用（自然界中的四种相互作用力之一）来测量粒子的电荷。

由于中子不带电荷，PREx 只能利用另一种基本力（弱核力）来研究中子的分布。不过与质子相比，中子还是具有较大的弱电荷，因此能够借此来测定中子的位置。

试验期间，研究人员精确控制着电子束，使之撞入低温冷却的铅薄片中。这些电子沿着运动方向旋转，就像足球传球时的螺旋线一样。

研究配图 - 2：相对于平均值的标准化偏差分布（蓝线）与高斯拟合（红线）

束中的电子通过电磁或弱相互作用，与铅靶的质子或中子相互作用。虽然电磁相互作用是镜像对称的，但弱相互作用并非如此。

这意味着通过电磁相互作用的电子会有相应的表现，而与电子的自旋方向无关。另一方面，基于弱相互作用的电子，在自旋方向相反时会表现得更为频繁。

实验联合发言人、马萨诸塞大学阿莫斯特分校教授 Krishna Kumar 表示：“利用散射中的这种不对称性，我们可以确定相互作用的强度，从而获悉中子所占的体积大小，以及中子与质子的相对位置”。

即便如此，测量仍需极高的精度才能成功进行。在整个实验过程中，电子束每秒都从一个方向翻转到相反的方向 240 次（频率 240Hz）。然后电子通过 CEBAF 加速器行进将近 1 英里，并精确地放置于目标位置。

研究配图 - 3：左右垂直轴分别为铅核的弱半径 / 中子皮提取值

Kumar 称：平均而言，在整个实验运行期间，我们知晓左右光束相对于彼此的位置在 10 个原子的宽度之内。

通过收集并分析从铅原子核上散落而保持完整的电子，PREx-II 得以将新研究与 2012 年的质子半径测量结果精确地融合到一起。

新测量的质子半径约为 5.5 飞米，而中子的分布稍大一些，大约为 5.8 飞米。因此可得中子皮的厚度为 0.28 飞米，即 0.28 纳米。

研究配图 - 4：PREx 数据集揭示的弱重子和电荷密度

研究人员称，新测得的数据，较某些理论所提出的更厚一些。即便如此，这对我们了解中子星的大小和物理过程，仍有着相当重要的意义。

Paschke 表示：“这是我们对中子皮开展的最直接的一次观察，期间发现了所谓的刚性状态方程的压力高于预期，因而很难将这些中子挤入原子核，结果导致原子核内部密度低于预期”。

Kumar 补充道：“我们先得了解中子星的含量与状态方程，然后才能预测这些中子星的特性。得益于相关领域的科学进展，后续有望更好地推断中子星的性质”。

最后值得一提的是，PREx 实验的刚性状态方程，与激光干涉引力波天文台（LIGO）最近开展的中子星碰撞观测有着密切的联系。